17 : La photosynthèse - BiOutils

17 : La photosynthèse
La photosynthèse permet aux plantes, aux algues et à certaines bactéries d’utiliser la lumière comme source d’énergie.
Les réactions primaires de la photosynthèse ont lieu dans des membranes spécialisées, comme les thylacoïdes des
chloroplastes, qui contiennent des complexes composés de protéines, de chlorophylle et d’autres pigments. Ces
complexes agissent ensemble pour scinder l’eau et produire de l’oxygène et des molécules riches en énergie comme
l’ATP et le NADPH. Ces composés sont utilisés dans le métabolisme, et notoirement pour la transformation du CO2 en
composés organiques comme des sucres. Ces processus peuvent être résumés simplement par l’équation suivante :
Lumière
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
A travers les chaînes alimentaires, la photosynthèse fournit presque la totalité de l’énergie de la biosphère. Elle produit
aussi l’oxygène essentiel à la respiration, et permet la séquestration de CO2 présent dans l’atmosphère. On estime que
les algues qui vivent dans les océans contribuent pour moitié à la fixation du CO2 par la photosynthèse au niveau global.
Dans cette expérience, vous allez observer comment la photosynthèse permet à des algues unicellulaires (Scenedesmus)
de fixer le CO2. Dans l’eau, le CO2 forme de l’acide carbonique qui abaisse le pH. Sa consommation par les algues fait
donc augmenter le pH du milieu. En utilisant des indicateurs de pH colorés, il est donc possible d'observer indirectement
la réaction de photosynthèse.
L'expérience se déroule en 2 étapes: la première consiste à fixer les algues dans des petites billes d'alginate puis de les
tester en les exposant à la lumière. Ce protocole allie donc manipulations chimiques et test d'activité biologique.
L’algue Scenedesmus
L'algue Scenedesmus fait partie du genre des algues vertes. Ce sont des algues non-mobiles microscopiques qui
mesurent de 5 à 30 µm. Elles sont généralement regroupées par quatre, formant ainsi une structure que l’on nomme
cénobe. Pour cette expérience nous allons utiliser l’espèce Scenedesmus quadricauda, fréquemment utilisée comme
modèle biologique.
Scenedesmus quadricauda
L’alginate de sodium
L’alginate de sodium est un composé extrait de certaines algues brunes, tel que Macrocystis pyrifera et autres Laminaria.
Nous le connaissons sous forme d’une poudre blanchâtre, utilisé comme épaississant ou émulsifiant dans certains
composés ou encore en « cuisine moléculaire ». L’alginate de sodium a la propriété de se gélifier instantanément, à
froid, au contact d’ions Ca++.
L’EXPERIENCE
1) Immobilisation des algues en billes d’alginate
Il est difficile de travailler avec des algues directement dans leur milieu de culture, c’est pourquoi, la première étape
consiste à les emprisonner en billes d’alginate, ce qui permet non seulement de les conserver facilement, mais
également d’avoir plus ou moins la même quantité de matériel pour effectuer l’expérience.
Vous allez recevoir une culture d’algues, une solution d’alginate de sodium, et une solution de chlorure de calcium.
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Préparez un bain de calcium en versant 15 ml de chlorure de calcium dans un bêcher.
Dans un tube de 15 ml, mélangez à volume égal les algues et l’alginate de sodium : 1 ml de culture pour 1 ml
d’alginate. Mélanger en pipetant (cette quantité permet de former environ 80 billes).
A l’aide la P1000, laisser tomber goutte à goutte votre solution d’algues dans le bain de calcium. Les billes se
forment instantanément (afin d’obtenir de jolies billes, laisser la pointe de la pipette à environ 1 cm de la surface
du liquide).
Laisser les billes ainsi formées dans le calcium 5-10 minutes. Les billes devraient tomber au fond du bêcher.
Vider le calcium dans l’évier et rincer les billes 2-3 fois à l’eau distillée en laissant décanter entre chaque lavage.
Garder les billes dans un petit volume d’eau.
Les billes peuvent se conserver plusieurs jours dans l’eau distillée, à la lumière, à une température d’environ 22°.
2) Préparation de la gamme de standard
Remarque : préparé par l’enseignant avant la séance
o Annoter 9 tubes eppendorf avec un pH allant de 7.6 à 9.2 comme illustré ci-dessous.
o Dans chaque tube, ajouter 900 µl de la solution pH correspondant.
o Au moment de l’expérience, ajouter 100 µl d’indicateur pH 10x concentré.
N.B : Bien que la gamme de standards soit assez stable dans le temps, nous conseillons néanmoins d’en préparer une
nouvelle pour chaque classe. La couleur des standards peut varier légèrement d’une fois à l’autre.
Augmentation du CO2
CO2 atmosphérique 0.04% (pH8.4)
Diminution du CO2
3) Préparation de l’indicateur pH 1x
Pour les diverses investigations, les billes vont être disposées dans plusieurs tubes contenant uniquement un indicateur
pH 1x concentré.
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Dans un contenant, mélanger 4 ml d’indicateur pH 10x et 36 ml d’eau distillée.
Laisser agiter 15-20 minutes (sans fermer le contenant) afin que l’indicateur s’équilibre à la concentration de
CO2 atmosphérique. L’indicateur doit être rouge.
4)
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Investigation lumière/obscurité
Prendre deux tubes eppendorf et ajouter dans chacun d’eux 1 ml d’indicateur pH 1x.
Ajouter le même nombre de billes dans chaque tube (une quinzaine) et le refermer.
Laisser un des tubes près d’une fenêtre (pas trop chaud !) et envelopper l’autre dans du papier d’alu afin
d’obscurcir totalement l’intérieur du tube.
o Observer et commenter les résultats 30-60 minutes plus tard.
Remarque : vous pouvez utiliser d’autres sources lumineuses.
5) Résultats et discussion
Exemple de résultats obtenus avec différentes sources lumineuses :
Lumière forte directe > lampe de bureau > lumière d’ambiance/indirecte > obscurité
Autres investigations possibles :
Vous pouvez également tester d’autres conditions comme l’utilisation de filtres (par ex. des fourres en plastique de
couleur), la distance par rapport à une même source lumineuse, différents types d'éclairage...
Matériel :
Alginate de sodium 3%
Chlorure de calcium 2%
Culture d’algue dense
P1000
P200
Pointes bleues
Pointes jaunes
Tubes de 15 ml
Tubes eppendorf
Tubes à vis
9 solutions pH standard
Indicateur pH 10x
Stockage du matériel :
Toutes les solutions se gardent à température ambiante. La culture d’algue ainsi que les billes formées se gardent
également à température ambiante. Préférer un endroit lumineux, mais pas trop chaud (éviter l'exposition directe
derrière une vitre).
L’Université de Genève décline toute responsabilité en cas de dommages survenus durant les expériences.